(山西省水利水電科學(xué)研究院，山西 太原 030002)

為實(shí)施汾河流域生態(tài)修復(fù)工程，2016年山西省水利廳在汾河中游設(shè)計(jì)實(shí)施堤內(nèi)攔河節(jié)制蓄水閘共計(jì)15座，以增大河道水域面積，增強(qiáng)地下水的補(bǔ)給，改善生態(tài)環(huán)境。汾河中游閘壩區(qū)工程建成運(yùn)行后，可增加河道水量，一定程度上對(duì)來(lái)水中的污染物進(jìn)行稀釋，達(dá)到降低水體污染物濃度的目的，使河道水質(zhì)和生態(tài)環(huán)境得到改善，但閘壩工程運(yùn)行后，汾河中游河道將面臨人工干擾強(qiáng)度大和河道片段化的問題。因此，如何在保障下游河道環(huán)境流量的基礎(chǔ)上，最大限度地發(fā)揮工程效益顯得尤為重要，而研究閘壩群的合理調(diào)度方案是實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)的必要手段。

目前，國(guó)內(nèi)外對(duì)于水環(huán)境流量的研究比較多。Balcombe S R[1]等研究了澳大利亞默里-達(dá)令流域上游魚類組合模式對(duì)流量梯度的簡(jiǎn)單調(diào)控。Grantham T E[2]等建立了基于農(nóng)業(yè)灌溉和魚類保護(hù)目標(biāo)的水文模型，模擬計(jì)算了加利福尼亞沿海流域在不同調(diào)控方案下的環(huán)境流量。郝利勛[3]等針對(duì)太子河水資源短缺、水污染較嚴(yán)重問題，分析計(jì)算了水庫(kù)下游河道的最小生態(tài)環(huán)境需水量，為保障河流生態(tài)系統(tǒng)的基本功能、實(shí)施觀音閣和葠窩水庫(kù)的聯(lián)合生態(tài)調(diào)度提供了依據(jù)。何俊仕[4]等針對(duì)蒲河流域近年來(lái)河道枯季缺水甚至斷流的問題，建立了水庫(kù)生態(tài)調(diào)度多目標(biāo)數(shù)學(xué)模型，提出了維持蒲河流域景觀連續(xù)水面的建議。薛亞莉[5]分析了渭河中下游徑流變化特征，研究了不同斷面規(guī)劃要求下泄水量及非汛期低限環(huán)境流量的滿足狀況，以及不同調(diào)水工程的實(shí)施對(duì)渭河徑流及河道生態(tài)環(huán)境流量的影響。

研究現(xiàn)狀表明，國(guó)內(nèi)外缺乏流量和水質(zhì)的耦合關(guān)系研究，針對(duì)河流閘壩區(qū)的環(huán)境流量調(diào)控研究亦較為罕見。因此，本文從閘壩群聯(lián)合調(diào)控與環(huán)境流量目標(biāo)相結(jié)合的角度入手，在合理計(jì)算汾河中游閘壩區(qū)最小環(huán)境流量的基礎(chǔ)上，以滿足最小環(huán)境流量為目標(biāo)，對(duì)枯水年閘壩群調(diào)控方案進(jìn)行探討，以期通過(guò)合理的閘壩調(diào)度，緩解或補(bǔ)償建壩對(duì)河道生態(tài)環(huán)境產(chǎn)生的負(fù)面影響。同時(shí)，研究成果可為汾河干流閘壩群調(diào)度運(yùn)行管理提供技術(shù)支撐，確保工程建成后能夠安全有效運(yùn)行，充分發(fā)揮工程效益，對(duì)汾河流域生態(tài)修復(fù)工程具有重要意義。

1 研究區(qū)概況

汾河中游閘壩區(qū)從汾河二壩到文峪河入汾河口，全長(zhǎng)82.2km，途徑太原市、晉中市和呂梁市三市五縣。堤內(nèi)攔河節(jié)制蓄水閘共15座，總長(zhǎng)度3876m，總蓄水面積13.5km2，總蓄水量1737萬(wàn)m3。蓄水閘壩均采用塌壩迅速、利于沖沙的液壓壩，在汾河干流全斷面蓄水。壩體為鋼閘壩和鋼筋混凝土閘壩，由多扇串聯(lián)在一起的閘板共同蓄水，單扇閘板長(zhǎng)度6.0m。15座蓄水閘壩的位置見圖1。

圖1 汾河中游閘壩區(qū)示意圖

2 最小環(huán)境流量計(jì)算與調(diào)控目標(biāo)值確定

義棠斷面為15個(gè)閘壩群下的第一個(gè)斷面，閘壩調(diào)控首先應(yīng)滿足該斷面的環(huán)境流量目標(biāo)要求，若該斷面環(huán)境流量調(diào)控目標(biāo)能夠得到滿足，對(duì)斷面以下的下游地區(qū)生態(tài)環(huán)境流量保證程度較高，故選擇義棠斷面作為閘壩調(diào)控的目標(biāo)斷面，以滿足最小環(huán)境流量作為調(diào)控目標(biāo)。

該研究中，最小環(huán)境流量的計(jì)算采用Tennant法，該法以多年平均天然徑流量的10%作為河道環(huán)境流量的最小值。由義棠水文站1980—2015年天然徑流資料系列計(jì)算得到義棠斷面最小環(huán)境流量，見表1。

表1 義棠斷面最小環(huán)境流量 單位：m3/s

由于汾河中游閘壩區(qū)豐水年和平水年河道流量相對(duì)較大，環(huán)境流量目標(biāo)較容易得到滿足，而特枯水年河道流量又過(guò)小，僅靠閘壩調(diào)控難以滿足環(huán)境流量目標(biāo)，綜合考慮較不利情形和工程實(shí)際需求，選擇頻率為75%的枯水年作為調(diào)控的目標(biāo)年份來(lái)設(shè)置閘壩調(diào)控方案。

選用義棠水文站1980—2015年實(shí)測(cè)流量資料系列，經(jīng)頻率計(jì)算得出頻率75%的枯水年為1998年，將枯水年實(shí)測(cè)流量和環(huán)境流量調(diào)控目標(biāo)進(jìn)行對(duì)比，見表2。

表2 義棠站枯水年實(shí)測(cè)流量與環(huán)境流量調(diào)控目標(biāo)對(duì)比 單位：m3/s

由表2可知，義棠斷面枯水年僅5—8月實(shí)測(cè)流量滿足環(huán)境流量調(diào)控目標(biāo)，其余月份流量均不滿足目標(biāo)，說(shuō)明枯水年單靠天然來(lái)水無(wú)法保證全年各月河道最小環(huán)境流量要求，需要通過(guò)合理調(diào)度及適量調(diào)水來(lái)解決。

3 環(huán)境流量調(diào)控

為比較不同調(diào)度方式的優(yōu)劣，本研究共設(shè)置了5種調(diào)控工況對(duì)閘壩進(jìn)行調(diào)度，其中僅調(diào)控、不調(diào)水的工況3種，調(diào)控同時(shí)調(diào)水的工況2種，具體如下：

a.工況1：天然來(lái)水情況下，閘壩全部塌壩泄流，等同于無(wú)閘壩情形。

b.工況2：天然來(lái)水情況下，優(yōu)先蓄水，滿足閘壩正常蓄水位要求，如來(lái)水還有剩余，則用于滿足環(huán)境流量調(diào)控目標(biāo)，滿足目標(biāo)值后的余水全部下泄。

c.工況3：天然來(lái)水情況下，優(yōu)先滿足環(huán)境流量調(diào)控目標(biāo)，如有剩余，則用閘壩蓄水，待來(lái)水不滿足調(diào)控目標(biāo)時(shí)用蓄水量補(bǔ)充。

d.工況4：調(diào)控及調(diào)水原則是滿足環(huán)境流量調(diào)控目標(biāo)。當(dāng)天然來(lái)水滿足環(huán)境流量調(diào)控目標(biāo)時(shí)，不調(diào)水，余量用閘壩蓄水；天然來(lái)水不滿足環(huán)境流量調(diào)控目標(biāo)時(shí)，用閘壩蓄水量補(bǔ)充，如蓄水量放空還無(wú)法滿足，則以滿足環(huán)境流量目標(biāo)為基準(zhǔn)，通過(guò)調(diào)水補(bǔ)足缺水量，保證泄流量≥環(huán)境流量目標(biāo)值。

e.工況5：調(diào)控及調(diào)水原則是同時(shí)滿足環(huán)境流量調(diào)控目標(biāo)和閘壩正常蓄水位要求。當(dāng)天然來(lái)水同時(shí)滿足環(huán)境流量調(diào)控目標(biāo)和閘壩正常蓄水位要求時(shí)，不調(diào)水，余量用閘壩蓄水；當(dāng)天然來(lái)水不能滿足調(diào)控目標(biāo)時(shí)，通過(guò)調(diào)水補(bǔ)足缺水量，保證泄流量≥環(huán)境流量目標(biāo)值。

4 調(diào)控結(jié)果與分析

按照工況1、2、3對(duì)枯水年天然來(lái)水進(jìn)行調(diào)控，結(jié)果見表3。表3反映了各工況調(diào)控對(duì)環(huán)境流量目標(biāo)和閘壩蓄水位的滿足程度，經(jīng)對(duì)比可以得知：在不調(diào)水的情況下，工況3對(duì)調(diào)控目標(biāo)和蓄水位的滿足程度相對(duì)最高，但由于枯水年1—4月幾乎沒有來(lái)水，導(dǎo)致3種工況在1—4月都無(wú)法滿足調(diào)控目標(biāo)及蓄水要求，經(jīng)工況3的合理調(diào)控，除1—4月外，其余8個(gè)月都可完全滿足調(diào)控目標(biāo)，同時(shí)可兼顧蓄水要求，顯著提升對(duì)蓄水位的滿足程度。

按照工況4對(duì)枯水年天然來(lái)水進(jìn)行調(diào)控的結(jié)果見表4。由表4可知：即使在枯水年來(lái)水較少的情形下，工況4全年也僅需調(diào)水2230.97萬(wàn)m3即可滿足全年各月的最小環(huán)境流量，同時(shí)兼顧閘壩蓄水，除1—4月沒有天然來(lái)水致使閘壩無(wú)水可蓄外，其余各月均能保證一定量的蓄水，閘壩區(qū)的景觀作用能夠得到一定程度的發(fā)揮。

表3 天然來(lái)水情況下枯水年工況1、2、3環(huán)境流量目標(biāo)及蓄水位滿足程度

表4 枯水年工況4環(huán)境流量目標(biāo)及蓄水位滿足程度

以同時(shí)滿足調(diào)控目標(biāo)和閘壩正常蓄水位為基準(zhǔn)，按照工況5對(duì)枯水年天然來(lái)水進(jìn)行調(diào)控，結(jié)果見表5。由表5可知：在調(diào)水情況下，枯水年僅需調(diào)水5561.21萬(wàn)m3即可同時(shí)保證全年各月的最小環(huán)境流量，閘壩全年維持正常蓄水位，充分發(fā)揮其景觀作用。

義棠斷面枯水年5種工況的水面線見圖2，工況5的調(diào)控方式既可保證最小環(huán)境流量要求，又可保證閘壩蓄水維持正常蓄水位，義棠斷面以下河道水量與其他工況相比較為理想。

表5 枯水年工況5環(huán)境流量目標(biāo)及蓄水位滿足程度

圖2 汾河二壩站—義棠站枯水年不同工況下瞬時(shí)水面線示意圖

5 調(diào)控建議方案

根據(jù)調(diào)度計(jì)算結(jié)果共提出3種建議方案，并確定其優(yōu)先順序如下。

a.方案一：采用工況5的方式進(jìn)行調(diào)控，即當(dāng)天然來(lái)水同時(shí)滿足環(huán)境流量調(diào)控目標(biāo)和閘壩正常蓄水位要求時(shí)，不調(diào)水，余量用閘壩蓄水；當(dāng)天然來(lái)水不能滿足調(diào)控目標(biāo)時(shí)，通過(guò)調(diào)水補(bǔ)足缺水量。同時(shí)滿足環(huán)境流量最低目標(biāo)值和閘壩正常蓄水位要求時(shí)，年調(diào)水總量為5561.21萬(wàn)m3。該方案效果最為理想。其優(yōu)點(diǎn)是：通過(guò)調(diào)水可以同時(shí)滿足河道生態(tài)環(huán)境流量目標(biāo)和閘壩正常蓄水位要求，在保證河流生態(tài)需水的基礎(chǔ)上充分發(fā)揮閘壩的景觀作用。

b.方案二：采用工況4的方式進(jìn)行調(diào)控，即當(dāng)天然來(lái)水滿足環(huán)境流量調(diào)控目標(biāo)時(shí)，不調(diào)水，余量用閘壩蓄水；天然來(lái)水不滿足環(huán)境流量調(diào)控目標(biāo)時(shí)，用蓄水量補(bǔ)充，如蓄水量放空還無(wú)法滿足，則以滿足環(huán)境流量目標(biāo)為基準(zhǔn)，通過(guò)調(diào)水補(bǔ)足缺水量。同時(shí)滿足環(huán)境流量最低目標(biāo)值和閘壩正常蓄水位要求時(shí)，年調(diào)水總量為2230.97萬(wàn)m3。該方案效果次之。其優(yōu)點(diǎn)體現(xiàn)在：通過(guò)少量調(diào)水即能夠保證河道生態(tài)需水滿足目標(biāo)要求，但不能保證各月蓄水都達(dá)到正常蓄水位。

c.方案三：采用工況3的調(diào)控方式，即來(lái)水首先滿足環(huán)境流量調(diào)控目標(biāo)，如有剩余則用閘壩蓄水，待來(lái)水不滿足環(huán)境流量目標(biāo)時(shí)用蓄水量補(bǔ)充。該方案的優(yōu)點(diǎn)是不需要調(diào)水，在天然來(lái)水量較大時(shí)通過(guò)閘壩調(diào)控可滿足環(huán)境流量最低目標(biāo)，同時(shí)保證閘壩蓄水，但天然來(lái)水量較小時(shí)則難以兼顧蓄水要求。

6 結(jié) 論

本文以汾河中游閘壩區(qū)為研究對(duì)象，從閘壩群聯(lián)合調(diào)控和環(huán)境流量目標(biāo)相結(jié)合的角度入手，在研究區(qū)最小環(huán)境流量計(jì)算的基礎(chǔ)上，以滿足最小環(huán)境流量為目標(biāo)，設(shè)置5種不同工況對(duì)閘壩區(qū)枯水年天然來(lái)水進(jìn)行了調(diào)度計(jì)算，根據(jù)模擬結(jié)果評(píng)估環(huán)境流量調(diào)控方案對(duì)閘壩區(qū)環(huán)境流量的改善效果，并據(jù)此提出了汾河中游閘壩區(qū)的水量調(diào)度建議方案，研究成果可從生態(tài)環(huán)境角度為汾河干流閘壩群調(diào)度運(yùn)行管理提供參考，通過(guò)合理的閘壩調(diào)度，緩解或補(bǔ)償建壩對(duì)河道生態(tài)環(huán)境產(chǎn)生的負(fù)面影響，充分發(fā)揮閘壩工程的效益。